新工業(yè)革命背景下單元化生產(chǎn)組織模式演進及對策

劉屹

一、智能單元是生產(chǎn)組織模式的演進方向

在離散裝備制造領(lǐng)域，隨著生產(chǎn)裝備水平的提高，零件加工、焊接、熱處理和裝配等生產(chǎn)過程中的數(shù)控化率和自動化水平不斷提升，MDC、DNC系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，然而，高性能的加工中心和自動化裝備正在形成設(shè)備孤島的現(xiàn)象，限制了生產(chǎn)能力的進一步提高。在典型的零件機加車間，通過機器人、AGV、柔性工裝的應(yīng)用構(gòu)建智能加工單元，實現(xiàn)單元內(nèi)零件出入庫、物流、裝夾、切削加工、檢快、下線和輔助制造資源管理等工藝過程的全自動化，同時實現(xiàn)高度柔性和動態(tài)調(diào)度，正在成為行業(yè)內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)積極探索的方向。SAP在2018漢諾威工博會發(fā)布的第三個版本OIF（Open Integrated Factory，開放集成工廠），將若干智能單元組成動態(tài)模塊化工廠，代表了目前德國最先進的關(guān)于未來數(shù)字化工廠的理解和實踐，也清晰呈現(xiàn)出新一輪工業(yè)革命背景下的生產(chǎn)組織模式演進趨勢，如圖]所示。

二、兩層融合成為生產(chǎn)組織數(shù)字轉(zhuǎn)型的重要路徑

伴隨著智能制造與柔性制造技術(shù)帶來的生產(chǎn)組織模式演進，生產(chǎn)單元控制與全局優(yōu)化的復(fù)雜性已經(jīng)超出傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理機制，傳統(tǒng)生產(chǎn)管理軟件無法滿足工業(yè)互聯(lián)、動態(tài)調(diào)度和自適應(yīng)生產(chǎn)組織的需求。迫切需要在傳統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)基礎(chǔ)上，從生產(chǎn)管理層向控制執(zhí)行層下沉，實現(xiàn)軟件定義生產(chǎn)過程，建立能夠?qū)ιa(chǎn)過程進行建模仿真并基于物聯(lián)網(wǎng)實時驅(qū)動生產(chǎn)過程、自適應(yīng)自組織的生產(chǎn)過程智能管控系統(tǒng)，如圖2所示，工業(yè)軟件這種融合生產(chǎn)管理層與控制執(zhí)行層于一體的發(fā)展趨勢高度契合離散制造業(yè)生產(chǎn)組織模式演進方向。

三、自主可控打造支撐智能制造關(guān)鍵能力

航空裝備等復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)過程可追溯性需求為生產(chǎn)過程管控帶來了更為苛刻的環(huán)境要求，對生產(chǎn)過程管控系統(tǒng)的建模能力、通訊能力、調(diào)度決策算法和控制顆粒度都有著很高要求。以往行業(yè)內(nèi)多個使用國外軟件支撐的自動化單元面臨著缺乏柔性、運行維護無法脫離原廠商技術(shù)支持等問題，而國產(chǎn)生產(chǎn)過程管控系統(tǒng)在功能、性能和可靠性等方面無法滿足復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)的應(yīng)用要求，國產(chǎn)軟件不僅需要大幅提升生產(chǎn)過程建模能力、仿真分析能力、工業(yè)互聯(lián)能力和動態(tài)調(diào)度能力，還需要面向高度柔性需求和復(fù)雜生產(chǎn)體系提供自適應(yīng)自組織決策能力，并采用先進技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的快速配置和可擴展。

面對復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)組織模式向單元化柔性生產(chǎn)演進的趨勢，建立在較高的工藝、自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)水平基礎(chǔ)上，遵循統(tǒng)一的生產(chǎn)建模與工業(yè)互聯(lián)標準規(guī)范，基于金航V6自主可控工業(yè)軟件基礎(chǔ)平臺，航空工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）在傳統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)制造資源建模、制造過程建模、生產(chǎn)過程仿真、生產(chǎn)單元智能代理、實時生產(chǎn)預(yù)快、動態(tài)調(diào)度和高可靠數(shù)據(jù)通訊等功能，形成生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全要素軟件定義、虛實精準映射和響應(yīng)式動態(tài)調(diào)度，建立批量為1的高柔性生產(chǎn)的工業(yè)軟件基礎(chǔ)，對提升復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的自適應(yīng)和自組織能力具有重要意義，將形成支撐智能制造的關(guān)鍵能力。

金航生產(chǎn)過程智能管控系統(tǒng)由管理模塊、調(diào)度模塊和通訊模塊組成，如圖3所示。管理模塊對生產(chǎn)過程所需資源、任務(wù)和工藝等數(shù)據(jù)進行配置和管理，同時具有實時可視化顯示生產(chǎn)運行狀態(tài)和實時生產(chǎn)預(yù)測功能;調(diào)度模塊接收管理模塊下達的生產(chǎn)任務(wù)和通訊模塊傳遞的生產(chǎn)線實時運行數(shù)據(jù)，基于規(guī)則和算法對生產(chǎn)過程進行動態(tài)調(diào)度決策并下發(fā)指令;通訊模塊接收設(shè)備運行數(shù)據(jù)并進行解析、存儲和傳輸，同時接收指令信息和相關(guān)數(shù)據(jù)并將信息進行轉(zhuǎn)換發(fā)送至指定設(shè)備或系統(tǒng)，通訊模塊能夠兼容多種不同類型的數(shù)控系統(tǒng)和PLC，并支持與生產(chǎn)線設(shè)備上位機系統(tǒng)進行接口定義。金航生產(chǎn)過程智能管控系統(tǒng)構(gòu)建起打通物理世界與賽博空間的通道，實現(xiàn)虛實精準映射、賽博控制物理，成為實現(xiàn)智能單元數(shù)字孿生的核心工業(yè)軟件。

四、試點示范形成標桿加速推廣應(yīng)用

由金航生產(chǎn)過程智能管控系統(tǒng)支撐的CPS（賽博物理系統(tǒng)）測試驗證環(huán)境已經(jīng)在工信部中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院完成建設(shè)，驗證了系統(tǒng)的建模能力、仿真分析能力和調(diào)度決策能力。目前，信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）正在為航空工業(yè)昌飛建設(shè)鋁合金智能化柔性加工單元提供核心工業(yè)軟件，通過與機器人、數(shù)控機床、三坐標快量機、對刀儀、立體庫和柔性工裝夾具的集成與協(xié)同，實現(xiàn)全自動化、高度柔性和智能化，樹立智能生產(chǎn)單元自主可控的行業(yè)標桿。在應(yīng)用驗證和試點示范的基礎(chǔ)上，信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）將與揚子智能制造裝備制造商、智能化工藝設(shè)計單位開展深度合作，加快先進解決方案和自主可控工業(yè)軟件在行業(yè)內(nèi)外的推廣應(yīng)用。